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摘要：文章同过结合三菱燃气－蒸汽联合循环机组旁路逻辑动作行为，分析了机组启动达3000rpm后、启励后并网的瞬间，机组有功负荷在极短时间内大幅波动而对锅炉汽包水位造成不良影响的现象；并提出了一些可行的解决措施，以最大程度保证机组安全、顺利完成启动及并网运行。
关键词：燃气－蒸汽联合循环机组，有功负荷波动，旁路调门逻辑动作行为，HOUSE LOAD OPERATION，汽包水位。
引言
某电厂为燃气－蒸汽联合循环机组发电厂，一期总装机容量为3×390 MW。燃机为日本三菱重工M701F燃气轮机，余热锅炉为杭锅三压、再热、无补燃、卧式、自然循环余热锅炉。锅炉有高、中、低压三个汽包，低压汽包炉水分别通过给水泵高压出口、中间抽头打至高、中压汽包，三个汽包水位联系非常密切；旁路系统动作时对锅炉三个汽包水位的影响与一般的燃煤电厂也有所不同。
某次机组启动达3000rpm后，启励后并网的瞬间，机组有功负荷在极短时间内大幅波动，幅度约为-65MW到115MW之间（正常情况下，刚并网后机组负荷应该是20MW左右）。紧接着机组高、中、低旁路门迅速大幅开大并在短时后又迅速关小，导致各个汽包水位不同程度的较大幅度波动。很显然，这样的动作行为给机组的安全、顺利启动带来了很不利的因素。
正文
一．并网瞬间有功负荷的波动如何产生
我们知道，如果发电机组非同期并网将会产生很大的冲击电流，并会在发电机组和电网系统之间造成有功功率振荡。经检查，上述并网瞬间，负荷确实出现大幅摆动――从电气故障录波装置上看，并网后0.3秒，有功达到115MW，并网后0.7秒，有功变为-65MW。通过对并网瞬间的运行数据进行分析，发现（从录波上）对比发电机电压及220KV母线电压，并网时相位一致，压差在合格范围内。唯有发电机与系统的频差较大，经查并网时机组转速3008转，电网频率折算成转速为2996转，相当于频差0.2HZ（转差12转）。初步分析为：当GCB合上瞬间，发电机电压与系统电压基本一致功角为零，但转子转速比系统感应磁场转速高12转，0.3秒拉开角度为12*360*0.3/60=21.6度（由于转子跟定子间有作用力，所有实际角度比这个小应在11-21度间），即功角为21.6度，转子转速与定子磁场转速一致，此时发电机有功输出将达115MW（从进相试验数据可以得出，类似条件下，功角为21度时对应的负荷约为120MW）。随后，由于定子磁场力的作用，转子转速低于定子磁场转速，并在0.4秒内，功角变负值，即输出有功为负值。另外，同过对比以往并网时的数据，发现以往并网也出现有功摆动，而此次频差在允许的最大值（0.2 HZ）并网，因而摆动达最大。（该厂同期装置定值整定值与300WM级燃煤机组一致，但燃煤机组基本没出现过如此大的有功摆动。估计与燃机转子转动惯量大,调速系统反应较灵敏等因素有关。）
二．旁路系统的控制逻辑及动作行为分析
汽轮机旁路系统调门动作行为则是由旁路调门强制打开信号引起。旁路调门强制打开的作用是当机组发生突发事故（如机组跳闸，OPC或者负荷大幅突降等）时，迅速打开高、中、低压旁路调门至一定开度，以防止高、中、低压主汽门或调门在事故时迅速关闭而使主汽管道及相关设备超压，并且保证锅炉水循环系统的正常运行。以高压旁路调门为例，其强制打开信号为HPTBV FORCE OPEN，当HPTBV FORCE OPEN为1时，强制打开信号生效。当满足以下全部条件时，HPTBV FORCE OPEN信号将为1：
1.燃机负荷高于75MW；
2.TURBINE TRIP（机组跳闸），OPC动作，HOUSE LOAD OPERATION（只带厂用电负荷运行）动作——三者中任意一个及一个以上发生；
3.燃机负荷从低于75MW后的5秒内条件2动作发生；
4.高压主蒸汽流量正常；
5.高压旁路调门投自动。
而当机组有功功率发生突然大幅急降时会产生HOUSE LOAD OPERATION（只带厂用电负荷运行）信号，使HOUSE LOAD OPERATION为1，具体为同时满足以下两个条件：
1.机组已经并网；
2.燃机负荷从大于72MW的数值在5秒钟之内降到小于24MW，并且小于24MW的持续时间超过0.5秒。
同时，HOUSE LOAD OPERATION（只带厂用电负荷运行）为1后也会触发OPC动作信号，使OPC信号为1。如前所述，并网时有功功率大幅波动（从115MW到-65MW），满足条件触发HOUSE LOAD OPERATION信号（HOUSE LOAD OPERATION信号又触发OPC信号），从而满足条件使HPTBV FORCE OPEN信号为1，导致高压旁路调门强制打开。HPTBV FORCE OPEN信号将自维持5秒钟（中、低压旁路调门FORCE OPEN信号也是自维持5秒钟）。
旁路调门的强制打开开度由强制打开（FORCE OPEN）信号动作瞬间主蒸汽流量决定，其是相应主蒸汽流量的函数，具体如下所示：
三．旁路调门动作行为对锅炉汽包水位的影响
在强制打开（FORCE OPEN）信号动作时，旁路调门的强制打开开度成为旁路调门开度CALC MV（开度计算MV）的低限值——即旁路调门开度CALC MV（开度计算MV）被强制为不小于强制打开开度，此开度与旁路调门最小开度值(高、中、低旁路调门分别为8％，5％，5％)比较取大值后输出为旁路调门开度最终MV。若并网时有功功率大幅波动，并使强制打开（FORCE OPEN）信号动作；则由于在刚并网时，高压主蒸汽流量一般都小于80T/H，故HPTBV FORCE OPEN信号动作后，高压旁路调门会迅速开至至少50%开度并维持5秒钟。类似的，中压旁路调门会迅速开至至少70%开度并维持5秒钟，低压旁路调门会迅速开至至少40%开度并维持5秒钟。旁路调门的迅速打开使相应汽包的压力快速下降，尤其是在热态启动时，从而导致相应汽包的水位急剧上涨，即所谓的虚假水位。其中由于高压汽包压力较高，中压汽包体积容积较小，故高、中压汽包的水位上涨幅度尤为厉害。在汽包水位上涨的过程中，会使相应的给水调门迅速关闭，并且很可能使定期排污电动门甚至紧急放水电动门打开。5秒钟过后，强制打开（FORCE OPEN）信号复位，旁路调门开度CALC MV（开度计算MV）不再受到强开限制。接下来旁路调门会如何动作取决于TBV MV=LOWLIMIT（旁路调门最终开度MV等于开度MV低限）信号。以高压旁路调门为例，当以下两个条件全部满足时，HPTBV MV=LOWLIMIT为1：
1.高压旁路调门投自动并且高旁调门SV值大于PV值0.02MPa；
2.高压旁路调门最终开度MV值与开度MV低限值之差在3％以内。
对于中、低压旁路调门，条件类似，只需将条件1中的数值0.02MPa改为0.02MPa、0.002MPa即是对应的IPTBV MV=LOWLIMIT、LPTBV MV=LOWLIMIT。当HPTBV MV=LOWLIMIT为1时，会使旁路调门开度CALC MV值不高于开度MV低限值。由于强制打开（FORCE OPEN）信号刚复位时，上述第2个条件已经是满足的，因而HPTBV MV=LOWLIMIT是否为1取决于高旁调门SV值与PV值的差值。另外在强制打开（FORCE OPEN）信号复位后，开度MV低限值为－5％（FORCE OPEN信号动作时，开度MV低限值为强制打开开度）。关于旁路调门的最小开度值，简单地说即是当旁路调门最终开度MV大于0％时（即旁路调门开始开时），就会开到至少最小开度值以防止旁路调门在较小开度下过度冲刷而损坏；直到当高旁调门SV值与PV值的差值大于0.3MPa后，最小开度限制解除（此时旁路调门开度CALC MV也已经小于0％），旁路调门关闭。由此可以得出以下3种情况：
1.若高旁调门SV值与PV值之差大于0.3MPa
则HPTBV MV=LOWLIMIT为1，从而使旁路调门开度CALC MV值立即为－5％；而高旁调门最小开度限制也解除，故高压旁路调门开度最终MV值为－5％。
2.若高旁调门SV值与PV值之差大于0.02MPa并且小于0.3MPa
则HPTBV MV=LOWLIMIT为1，从而使旁路调门开度CALC MV值立即为－5％；而高旁调门最小开度限制仍然保持，故高压旁路调门开度最终MV值为8％。
3.若高旁调门SV值与PV值之差小于0.02MPa
则HPTBV MV=LOWLIMIT为0，旁路调门开度CALC MV值为其PIQ实际计算值；并且高旁调门最小开度限制仍然保持，故高压旁路调门开度最终MV值为大于或等于8％。
当出现以上所述第1、第2种情况时，高压旁路调门会迅速关小至全关或者8％的开度，这将使高压汽包压力快速上升，加上之前水位上涨时给水调门关闭及放水门打开的影响；从而导致高压汽包水位急剧下降，并且水位下降幅度也比较大（根据经验数据，下降水位可达200mm）。此时高压汽包给水调门会迅速开大，使高压汽包给水调门前压力大幅下降并低于给水泵高压出口压力低联动值，从而使备用给水泵自启。事实上，当强制打开（FORCE OPEN）信号动作而使高压旁路调门强制打开后，由于高压旁路调门的大幅泄压，高旁调门SV值与PV值之差一般都会大于0.02MPa（甚至大于0.3MPa），从而使高压旁路调门迅速关小。中、低压旁路调门动作情况也类似（但低压旁路调门影响较小）。可以看出，旁路调门这样的动作行为给锅炉给水自动调节系统造成了很不利的影响——既造成了水位的大幅波动而降低机组安全运行系数，又造成了不必要的设备联动。
四．并网有功波动造成汽包水位波动的解决措施
为了保证机组安全、顺利运行，避免出现上述不良工况而对机组安全运行造成威胁，结合实际情况，提出以下几条解决措施：
1.优化旁路调门相关逻辑，如将产生HOUSE LOAD OPERATION信号所需的条件（1）改为“机组并网后延时3秒钟”，以躲过并网时可能产生的有功功率大幅波动。经试验证明，优化相关逻辑后有效的避免了HOUSE LOAD OPERATION信号的产生。
2.优化机组并网条件，如通过改小同期装置的允许频差来从根本上解决并网时产生的有功功率大幅波动。经实践证明，并网允许频差从7RPM缩小到3RPM后，基本上可以消除并网时的有功大幅波动。
3.重新调整机组调速系统反应灵敏度，以达到最佳反应灵敏度。
五 结论
综上所述，本文通过描述机组并网时可能产生有功功率大幅波动而导致出现汽包水位大幅波动的不良工况，结合逻辑分析，提出了相应的应对措施以期避免出现此不良工况，最大程度地保证机组安全、稳定启动及运行。经实践证明，结合第一条、第二条措施，可以很好的预防此种不良工况的出现。
参考文献
[1]三菱重工 编，DIASYS逻辑图册
[2]罗万金 主编，《电厂热工过程自动调节》，中国电力出版社，2004
[3]陈忠海 主编，《热工基础》，中国电力出版社，2004
[4]李发海、朱东起编，《电机学》，科学出版社，2007
论文作者:李敢
论文发表刊物:《电力设备》2016年第23期
论文发表时间:2017/1/16
标签：调门论文; 旁路论文; 汽包论文; 机组论文; 水位论文; 高压论文; 信号论文; 《电力设备》2016年第23期论文;